KR20200002455A

KR20200002455A - 금속폼의 제조 방법

Info

Publication number: KR20200002455A
Application number: KR1020180075960A
Authority: KR
Inventors: 김소진; 유동우; 이진규
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2020-01-08
Also published as: KR102387629B1; KR20220050858A; KR102680220B1

Abstract

본 출원은 금속폼의 제조 방법을 제공한다. 본 출원에서는 금속폼이 가지는 기공의 균일도, 기공도나 기계적 강도, 그리고 사용된 금속 소재의 고유의 장점을 유지하면서도 그 표면을 효과적으로 개질할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.

Description

금속폼의 제조 방법{PREPARATION METHOD FOR METAL FOAM}

본 출원은 금속폼의 제조 방법에 대한 것이다.

금속폼(metal foam)은 경량성, 에너지 흡수성, 단열성, 내화성 또는 친환경 등의 다양하고 유용한 특성을 구비함으로써, 경량 구조물, 수송 기계, 건축 자재 또는 에너지 흡수 장치 등을 포함하는 다양한 분야에 적용될 수 있다. 또한, 금속폼은, 높은 비표면적을 가지며, 액체, 기체 등의 유체 또는 전자의 흐름을 보다 향상시킬 수 있으므로, 방열 소재, 열 교환 장치용 기판, 촉매, 센서, 액츄에이터, 2차 전지, 연료전지, 가스 확산층(GDL: gas diffusion layer) 또는 미세유체 흐름 제어기(microfluidic flow controller) 등에 적용되어 유용하게 사용될 수도 있다.

상기와 같은 금속폼의 적용 분야를 극대화하기 위해서 금속폼의 표면적의 조절 등과 같은 표면의 개질이 필요할 수 있다.

예를 들면, 금속폼을 고분자 소재와 복합화할 때에, 무기 소재인 금속폼과 유기 소재인 고분자간의 계면 접착성이 충분히 확보되지 않을 수 있다.

그렇지만, 금속폼이 가지는 고유의 장점을 그대로 유지하면서 표면을 개질하는 것은 쉽지 않다.

본 출원은, 금속폼의 제조 방법, 구체적으로는 표면 개질된 금속폼의 제조 방법을 제공한다.

본 출원에서는 금속폼이 가지는 기공의 균일도, 기공도나 기계적 강도, 그리고 사용된 금속 소재의 고유의 장점을 유지하면서도 그 표면을 효과적으로 개질할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 온도가 해당 물성에 영향을 미치는 경우에는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 그 물성은 상온에서 측정한 것이다. 용어 상온은 가온 또는 감온되지 않은 자연 그대로의 온도이고, 예를 들면, 약 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도, 약 23℃ 또는 약 25℃ 정도의 온도를 의미할 수 있다. 또한, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 본 명세서에서 온도의 단위는 ℃이다.

본 명세서에서 언급하는 물성 중에서 측정 압력이 해당 물성에 영향을 미치는 경우에는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 그 물성은 상압, 즉 대기압(약 1기압 정도)에서 측정한 것이다.

본 출원에서 용어 금속폼 또는 금속 골격은, 2종 이상의 금속을 주성분으로 포함하는 다공성 구조체를 의미한다. 상기에서 금속을 주성분으로 한다는 것은, 금속폼 또는 금속 골격의 전체 중량을 기준으로 금속의 비율이 55 중량% 이상, 60 중량% 이상, 65 중량% 이상, 70 중량% 이상, 75 중량% 이상, 80 중량% 이상, 85 중량% 이상, 90 중량% 이상 또는 95 중량% 이상인 경우를 의미한다. 상기 주성분으로 포함되는 금속의 비율의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 100 중량%일 수 있다.

용어 다공성은, 기공도(porosity)가 적어도 30% 이상, 40% 이상, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 75% 이상 또는 80% 이상인 경우를 의미할 수 있다. 상기 기공도의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 약 100% 미만, 약 99% 이하 또는 약 98% 이하 정도일 수 있다. 상기에서 기공도는 금속폼 등의 밀도를 계산하여 공지의 방식으로 산출할 수 있다.

본 출원의 금속폼의 제조 방법은, 금속 성분을 포함하는 금속 구조체를 소결하여 다공성의 금속 소결체를 얻는 단계; 및 상기 소결 단계에 이어서 상기 다공성의 금속 소결체를 산소와 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다. 적정 조건에서의 상기 산소와의 접촉을 통해 금속폼의 표면에 돌기 형상의 산화물을 성장시킬 수 있고, 이러한 산화물은 금속폼의 장점을 훼손하지 않으면서 해당 금속폼의 표면적을 제어할 수 있다.

상기에서 돌기 형상은, 종횡비(aspect ratio)가 대략 1 내지 8의 범위 내인 형상을 의미한다. 상기 돌기 형상의 종횡비는 다른 예시에서 약 7.5 이하, 7 이하, 6.5 이하, 6 이하, 5.5 이하, 5 이하, 4.5 이하, 4 이하, 3.5 이하 또는 3 이하일 수 있다. 상기에서 산화물의 종횡비는, 광학 현미경 등을 통해 확인되는 산화물의 높이 내지 폭 등의 치수(Dimension) 중에서 가장 큰 치수(L) 및 작은 치수(S)의 비율(L/S)일 수 있고, 이 때 상기 치수(L, S)는 동일 단위에서의 치수이다. 이와 같은 돌기 형상의 산화물의 존재에 의해서 목적하는 효과를 우수하게 달성할 수 있다.

상기에서 금속폼의 표면에 존재하는 금속 산화물의 면적 비율이 5% 내지 60%의 범위 내일 수 있다. 상기 면적 비율은, 다른 예시에서 약 7% 이상 또는 10% 이상이거나, 55% 이하, 50% 이하, 45% 이하, 40% 이하, 35% 이하 또는 30% 이하 정도일 수 있다. 상기 면적 비율은, 금속폼의 전체 면적 대비 산화물이 존재하는 면적의 백분율이고, 예를 들면, 광학 현미경 등으로 확인되는 산화물의 면적과 금속폼의 면적을 통해 확인하거나, 금속폼의 중량과 산화물의 중량 등을 통해서 환산할 수도 있다.

본 출원에서 용어 금속 구조체는, 상기 소결 등과 같이 금속폼을 형성하기 위해 수행되는 공정을 거치기 전의 구조체, 즉 금속폼이 생성되기 전의 구조체를 의미한다. 또한, 상기 금속 구조체는, 다공성 금속 구조체라고 호칭되더라도 반드시 그 자체로 다공성일 필요는 없으며, 최종적으로 다공성의 금속 구조체인 금속폼을 형성할 수 있는 것이라면, 편의상 다공성 금속 구조체라고 호칭될 수 있다.

본 출원에서 상기 금속 구조체는, 금속 성분, 분산제 및 바인더를 적어도 포함하는 슬러리를 사용하여 형성할 수 있다.

금속 구조체에 포함되는 금속 성분의 종류에는 특별한 제한이 없고, 목적에 따라서 적절한 종류가 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 성분으로는, 주석, 구리, 니켈, 알루미늄, 몰리브덴, 은, 백금, 금, 알루미늄, 마그네슘 및 철로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상 또는 2종 이상이 사용될 수 있다.

금속 구조체를 형성하는 금속 성분은 분말(powder) 형태일 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 성분 내의 금속들은, 평균 입경이 약 0.1㎛ 내지 약 200㎛의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 평균 입경은 다른 예시에서 약 0.5㎛ 이상, 약 1㎛ 이상, 약 2㎛ 이상, 약 3㎛ 이상, 약 4㎛ 이상, 약 5㎛ 이상, 약 6㎛ 이상, 약 7㎛ 이상 또는 약 8㎛ 이상일 수 있다. 상기 평균 입경은 다른 예시에서 약 150㎛ 이하, 100㎛ 이하, 90㎛ 이하, 80㎛ 이하, 70㎛ 이하, 60㎛ 이하, 50㎛ 이하, 40㎛ 이하, 30㎛ 이하 또는 20㎛ 이하일 수 있다. 금속 성분 내의 금속으로는 서로 평균 입경이 상이한 것을 적용할 수도 있다. 상기 평균 입경은, 목적하는 금속폼의 형태, 예를 들면, 금속폼의 두께나 기공도 등을 고려하여 적절한 범위를 선택할 수 있고, 이는 특별히 제한되지 않는다.

상기에서 금속 분말의 평균 입경은, 공지의 입도 분석 방식에 의해 구해질 수 있고, 예를 들면, 상기 평균 입경은, 소위 D50 입경일 수 있다.

일 예시에서 상기 금속 성분은, 적정한 상대 투자율과 전도도를 가지는 금속을 적어도 포함할 수 있다. 이러한 금속의 적용은, 본 출원의 하나의 예시에 따른 유도 가열 방식에 의한 소결이 수행되는 경우에 해당 소결이 보다 원활하게 수행되도록 할 수 있다.

예를 들면, 상기 금속으로는, 상대 투자율이 90 이상인 금속이 사용될 수 있다. 상기에서 상대 투자율(μ_r)은, 해당 물질의 투자율(μ)과 진공속의 투자율(μ₀)의 비율(μ/μ₀)이다. 본 출원에서 사용하는 상기 금속은 상대 투자율이 95 이상, 100 이상, 110 이상, 120 이상, 130 이상, 140 이상, 150 이상, 160 이상, 170 이상, 180 이상, 190 이상, 200 이상, 210 이상, 220 이상, 230 이상, 240 이상, 250 이상, 260 이상, 270 이상, 280 이상, 290 이상, 300 이상, 310 이상, 320 이상, 330 이상, 340 이상, 350 이상, 360 이상, 370 이상, 380 이상, 390 이상, 400 이상, 410 이상, 420 이상, 430 이상, 440 이상, 450 이상, 460 이상, 470 이상, 480 이상, 490 이상, 500 이상, 510 이상, 520 이상, 530 이상, 540 이상, 550 이상, 560 이상, 570 이상, 580 이상 또는 590 이상일 수 있다. 상기 상대 투자율은 그 수치가 높을 수록 후술하는 유도 가열을 위한 전자기장의 인가 시에 보다 높은 열을 발생하게 되므로 그 상한은 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서 상기 상대 투자율의 상한은 예를 들면, 약 300,000 이하일 수 있다.

상기 금속은 전도성 금속일 수 있다. 본 출원에서 용어 전도성 금속은 20℃에서의 전도도가 약 8 MS/m 이상, 9 MS/m 이상, 10 MS/m 이상, 11 MS/m 이상, 12 MS/m 이상, 13 MS/m 이상 또는 14.5 MS/m 이상인 금속 또는 그러한 합금을 의미할 수 있다. 상기 전도도의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 약 30 MS/m 이하, 25 MS/m 이하 또는 20 MS/m 이하일 수 있다.

본 출원에서 상기와 같은 상대 투자율과 전도도를 가지는 금속은 단순하게 전도성 자성 금속으로도 호칭될 수 있다.

상기 전도성 자성 금속을 적용함으로써, 후술하는 유도 가열 공정이 진행될 경우에 소결을 보다 효과적으로 진행할 수 있다. 이와 같은 금속으로는 니켈, 철 또는 코발트 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

전도성 자성 금속이 포함되는 경우, 금속 성분 내에서 상기 전도성 자성 금속의 비율은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 비율은, 후술하는 유도 가열 공법의 적용 시에 적절한 줄열을 발생시킬 수 있도록 비율이 조절될 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 성분은 상기 전도성 자성 금속을 전체 금속 성분의 중량을 기준으로 30 중량% 이상 포함할 수 있다. 다른 예시에서 상기 금속 성분 내의 상기 전도성 자성 금속의 비율은, 약 35 중량% 이상, 약 40 중량% 이상, 약 45 중량% 이상, 약 50 중량% 이상, 약 55 중량% 이상, 60 중량% 이상, 65 중량% 이상, 70 중량% 이상, 75 중량% 이상, 80 중량% 이상, 85 중량% 이상 또는 90 중량% 이상일 수 있다. 상기 전도성 자성 금속 비율의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 약 100 중량% 미만 또는 95 중량% 이하일 수 있다. 그러나, 상기 비율은 예시적인 비율이다. 예를 들어, 전자기장의 인가에 의한 유도 가열에 의해 발생하는 열은, 가해주는 전자기장의 세기, 금속의 전기 전도도와 저항 등에 따라 조절이 가능하기 때문에, 상기 비율은 구체적인 조건에 따라서 변경될 수 있다.

상기 금속 구조체는 상기 금속을 포함하는 금속 성분과 함께 분산제와 바인더를 포함하는 슬러리를 사용하여 형성할 수 있다.

상기 슬러리 내에서 금속 성분의 비율은 특별히 제한되지 않고, 목적하는 점도나 공정 효율 등을 고려하여 선택될 수 있다. 일 예시에서 슬러리 내에서의 금속 성분의 비율은 중량을 기준으로 0.5% 내지 95% 정도일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 1% 이상, 약 1.5% 이상, 약 2% 이상, 약 2.5% 이상, 약 3% 이상, 약 5% 이상, 10% 이상, 15% 이상, 20% 이상, 25% 이상, 30% 이상, 35% 이상, 40% 이상, 45% 이상, 50% 이상, 55% 이상, 60% 이상, 65% 이상, 70% 이상, 75% 이상 또는 80% 이상이거나, 약 90% 이하, 약 85% 이하, 약 80% 이하, 약 75% 이하, 약 70% 이하, 약 65% 이하, 60% 이하, 55% 이하, 50% 이하, 45% 이하, 40% 이하, 35% 이하, 30% 이하, 25% 이하, 20% 이하, 15% 이하, 10% 이하 또는 5% 이하 정도일 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.

분산제로는, 예를 들면, 알코올이 적용될 수 있다. 알코올로는, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 펜탄올, 옥타놀, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 펜탄놀, 2-메톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 2-부톡시에탄올, 글리세롤, 텍사놀(texanol) 또는 테르피네올(terpineol) 등과 같은 탄소수 1 내지 20의 1가 알코올 또는 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 헥산디올, 옥탄디올 또는 펜탄디올 등과 같은 탄소수 1 내지 20의 2가 알코올 또는 그 이상의 다가 알코올 등이 사용될 수 있으나, 그 종류가 상기에 제한되는 것은 아니다.

슬러리는 바인더를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 바인더의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 슬러리의 제조 시에 적용된 금속 성분이나 분산제 등의 종류에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 상기 바인더로는, 메틸 셀룰로오스 또는 에틸 셀룰로오스 등의 탄소수 1 내지 8의 알킬기를 가지는 알킬 셀룰로오스, 폴리프로필렌 카보네이트 또는 폴리에틸렌 카보네이트 등의 탄소수 1 내지 8의 알킬렌 단위를 가지는 폴리알킬렌 카보네이트 또는 폴리비닐알코올 또는 폴리비닐아세테이트 등의 폴리비닐알코올계 바인더 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

슬러리 내에서 각 성분의 비율은 특별히 제한되지 않는다. 이러한 비율은 슬러리를 사용한 공정 시에 코팅성이나 성형성 등의 공정 효율을 고려하여 조절될 수 있다.

예를 들면, 슬러리 내에서 바인더는 전술한 금속 성분 100 중량부 대비 약 1 내지 500 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 2 중량부 이상, 약 3 중량부 이상, 약 4 중량부 이상, 약 5 중량부 이상, 약 6 중량부 이상, 약 7 중량부 이상, 약 8 중량부 이상, 약 9 중량부 이상, 약 10 중량부 이상, 약 20 중량부 이상, 약 30 중량부 이상, 약 40 중량부 이상, 약 50 중량부 이상, 약 60 중량부 이상, 약 70 중량부 이상, 약 80 중량부 이상, 약 90 중량부 이상, 약 100 중량부 이상, 약 110 중량부 이상, 약 120 중량부 이상, 약 130 중량부 이상, 약 140 중량부 이상, 약 150 중량부 이상, 약 200 중량부 이상 또는 약 250 중량부 이상일 수 있고, 약 450 중량부 이하, 약 400 중량부 이하, 약 350 중량부 이하. 약 300 중량부 이하, 약 250 중량부 이하, 약 200 중량부 이하, 약 150 중량부 이하, 약 100 중량부 이하, 약 90 중량부 이하, 약 80 중량부 이하, 약 70 중량부 이하, 약 60 중량부 이하, 약 50 중량부 이하, 약 40 중량부 이하, 약 30 중량부 이하, 약 20 중량부 이하 또는 약 10 중량부 이하일 수 있다.

또한, 슬러리 내에서 분산제는, 상기 바인더 100 중량부 대비 약 10 내지 2,000 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서 약 20중량부 이상, 약 30중량부 이상, 약 40중량부 이상, 약 50중량부 이상, 약 60중량부 이상, 약 70중량부 이상, 약 80중량부 이상, 약 90중량부 이상, 약 100중량부 이상, 약 110중량부 이상, 약 120중량부 이상, 약 130중량부 이상, 약 140중량부 이상, 약 150중량부 이상, 약 160중량부 이상, 약 170중량부 이상, 약 180 중량부 이상, 약 190 중량부 이상, 약 200 중량부 이상, 약 300 중량부 이상, 약 400 중량부 이상, 약 500 중량부 이상, 약 550 중량부 이상, 약 600 중량부 이상 또는 약 650 중량부 이상일 수 있고, 약 1,800 중량부 이하, 약 1,600 중량부 이하, 약 1,400 중량부 이하, 약 1,200 중량부 이하, 약 1,000 중량부 이하, 약 800 중량부 이하, 약 600 중량부 이하, 약 400 중량부 이하, 약 300 중량부 이하, 약 250 중량부 이하 또는 약 200 중량부 이하일 수 있다.

본 명세서에서 단위 중량부는 특별히 달리 규정하지 않는 한, 각 성분간의 중량의 비율을 의미한다.

다만, 분산제나 바인더의 비율은, 목적하는 기공도나 기공 크기 등을 고려하여 조절될 수 있는 것이어서 상기 범위에 제한되는 것은 아니다.

슬러리는 필요하다면, 용매를 추가로 포함할 수 있다. 다만, 소결 후 산소와의 접촉으로 이어지는 본 출원의 공정에서 금속폼의 표면을 보다 효율적으로 개질하는 관점에서는 슬러리로서 용매를 포함하지 않는 슬러리를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 용매로는 슬러리의 성분, 예를 들면, 상기 금속 성분이나 바인더 등의 용해성을 고려하여 적절한 용매가 사용될 수 있다. 예를 들면, 용매로는, 유전 상수가 약 10 내지 120의 범위 내에 있는 것을 사용할 수 있다. 상기 유전 상수는 다른 예시에서 약 20 이상, 약 30 이상, 약 40 이상, 약 50 이상, 약 60 이상 또는 약 70 이상이거나, 약 110 이하, 약 100 이하 또는 약 90 이하일 수 있다. 이러한 용매로는, 물이나 에탄올, 부탄올 또는 메탄올 등의 탄소수 1 내지 8의 알코올, DMSO(dimethyl sulfoxide), DMF(dimethyl formamide) 또는 NMP(N-methylpyrrolidinone) 등이 예시될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

용매가 적용될 경우에 상기는 상기 바인더 100 중량부 대비 약 50 내지 400 중량부의 비율로 슬러리 내에 존재할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

슬러리는 상기 언급한 성분 외에 추가적으로 필요한 공지의 첨가제를 포함할 수도 있다.

상기와 같은 슬러리를 사용하여 상기 금속 구조체를 형성하는 방식은 특별히 제한되지 않는다. 금속폼의 제조 분야에서는 금속 구조체를 형성하기 위한 다양한 방식이 공지되어 있고, 본 출원에서는 이와 같은 방식이 모두 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 구조체는, 적정한 틀(template)에 상기 슬러리를 유지하거나, 혹은 슬러리를 적정한 방식으로 코팅하여 상기 금속 구조체를 형성할 수 있다.

이와 같은 금속 구조체의 형태는 목적하는 금속폼에 따라 정해지는 것으로 특별히 제한되지 않는다. 하나의 예시에서 상기 금속 구조체는, 필름 또는 시트 형태일 수 있다. 예를 들면, 상기 구조체가 필름 또는 시트 형태일 때에 그 두께는 2,000㎛ 이하, 1,500㎛ 이하, 1,000㎛ 이하, 900㎛ 이하, 800㎛ 이하, 700㎛ 이하, 600㎛ 이하, 500㎛ 이하, 400㎛ 이하, 300㎛ 이하, 200㎛ 이하, 150㎛ 이하, 약 100㎛ 이하, 약 90㎛ 이하, 약 80㎛ 이하, 약 70㎛ 이하, 약 60㎛ 이하 또는 약 55㎛ 이하일 수 있다. 금속폼은, 다공성인 구조적 특징상 일반적으로 브리틀한 특성을 가지고, 따라서 필름 또는 시트 형태, 특히 얇은 두께의 필름 또는 시트 형태로 제작이 어렵고, 제작하게 되어도 쉽게 부스러지는 문제가 있다. 그렇지만, 본 출원의 방식에 의해서는, 얇은 두께이면서도, 내부에 균일하게 기공이 형성되고, 기계적 특성이 우수한 금속폼의 형성이 가능하다.

상기에서 구조체의 두께의 하한은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 필름 또는 시트 형태의 구조체의 두께는 약 1㎛ 이상, 약 5㎛ 이상, 10㎛ 이상 또는 약 15㎛ 이상일 수 있다.

상기와 같은 방식으로 형성된 금속 구조체를 소결하여 다공성 금속 소결체를 형성할 수 있다. 이러한 경우에 상기 금속폼을 제조하기 위한 소결을 수행하는 방식은 특별히 제한되지 않으며, 공지의 소결법을 적용할 수 있다. 즉, 적절한 방식으로 상기 금속 구조체에 적정한 양의 열을 인가하는 방식으로 상기 소결을 진행할 수 있다.

열을 인가하여 금속 구조체를 소결하는 경우에 인가되는 열은 특별히 제한되지 않는다. 즉, 사용된 금속의 성질이나 목적하는 기계적 강도 등을 고려하여 열의 인가 조건을 적절하게 조절하면 된다.

일 예시에서 상기 다공성 금속 소결체는, 금속 구조체를 700℃ 내지 2,000℃의 범위 내의 어느 한 온도에서 소결하여 형성할 수 있다.

또한, 소결 시간도 적절하게 조절될 수 있으며, 예를 들면, 약 10분 내지 600분의 범위 내의 시간 동안 소결될 수 있다.

본 출원에서는 또한 상기 기존의 공지 방식과는 다른 방식으로서, 상기 소결을 유도 가열 방식으로 수행할 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이 금속 성분이 소정 투자율과 전도도의 전도성 자성 금속을 포함시킨 경우에 유도 가열 방식이 적용될 수 있다. 이러한 방식에 의해서 균일하게 형성된 기공을 포함하면서, 기계적 특성이 우수하며, 기공도도 목적하는 수준으로 조절된 금속폼의 제조가 원활하게 될 수 있다.

상기에서 유도 가열은, 전자기장이 인가되면 특정 금속에서 열이 발생하는 현상이다. 예를 들어, 적절한 전도성과 투자율을 가지는 금속에 전자기장을 인가하면, 금속에 와전류(eddy currents)가 발생하고, 금속의 저항에 의해 줄열(Joule heating)이 발생한다. 본 출원에서는 이러한 현상을 통한 소결 공정을 수행할 수 있다. 본 출원에서는 이와 같은 방식을 적용하여 금속폼의 소결을 단시간 내에 수행할 수 있어서 공정성을 확보하고, 동시에 기공도가 높은 박막 형태이면서도 기계적 강도가 우수한 금속폼을 제조할 수 있다.

따라서, 상기 소결 공정은, 상기 금속 구조체에 전자기장을 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 전자기장의 인가에 의해 상기 금속 성분의 전도성 자성 금속에서 유도 가열 현상에 의해서 줄열이 발생하고, 이에 의해 구조체는 소결될 수 있다. 이 때 전자기장을 인가하는 조건은 금속 구조체 내의 전도성 자성 금속의 종류 및 비율 등에 따라서 결정되는 것으로 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 유도 가열은, 코일 등의 형태로 형성된 유도 가열기를 사용하여 진행할 수 있다. 또한, 유도 가열은, 예를 들면, 100A 내지 1,000A 정도의 전류를 인가하여 수행할 수 있다. 상기 가해지는 전류의 크기는 다른 예시에서, 900A 이하, 800 A 이하, 700 A 이하, 600 A 이하, 500 A 이하 또는 400 A 이하일 수 있다. 상기 전류의 크기는 다른 예시에서 약 150 A 이상, 약 200 A 이상 또는 약 250 A 이상일 수 있다.

유도 가열은, 예를 들면, 약 100kHz 내지 1,000kHz의 주파수로 수행할 수 있다. 상기 주파수는, 다른 예시에서, 900 kHz 이하, 800 kHz 이하, 700 kHz 이하, 600 kHz 이하, 500 kHz 이하 또는 450 kHz 이하일 수 있다. 상기 주파수는, 다른 예시에서 약 150 kHz 이상, 약 200 kHz 이상 또는 약 250 kHz 이상일 수 있다.

상기 유도 가열을 위한 전자기장의 인가는 예를 들면, 약 1분 내지 10시간의 범위 내에서 수행할 수 있다. 상기 인가 시간은 다른 예시에서 약 10분 이상, 약 20 분 이상 또는 약 30 분 이상일 수 있다. 상기 인가 시간은, 다른 예시에서, 약 9시간 이하, 약 8 시간 이하, 약 7 시간 이하, 약 6 시간 이하, 약 5 시간 이하, 약 4 시간 이하, 약 3 시간 이하, 약 2 시간 이하, 약 1 시간 이하 또는 약 30분 이하일 수 있다.

상기 언급한 유도 가열 조건, 예를 들면, 인가 전류, 주파수 및 인가 시간 등은 전술한 바와 같이 전도성 자성 금속의 종류 및 비율 등을 고려하여 변경될 수 있다.

상기 금속 구조체의 소결은, 상기 언급한 열의 인가 또는 유도 가열에 의해서만 수행하거나, 필요한 경우에 상기 유도 가열, 즉 전자기장의 인가와 함께 적절한 열을 인가하면서 수행할 수도 있다.

예를 들면, 상기 소결은, 상기 전자기장의 인가와 함께 또는 단독으로 금속 구조체에 외부의 열원을 인가하여 수행할 수도 있다.

본 출원의 제조 방법에서는 상기와 같이 형성된 금속 소결체를 산소와 접촉시켜서 표면을 개질한다. 이러한 산소와의 접촉 공정은, 소결 공정에 이어서 바로 수행할 수 있다. 하나의 예시에서 상기 산소와의 접촉은 소결 공정 후에 바로 다공성 금속 소결체를 냉각시키면서 수행할 수 있고, 상기 냉각 과정에서 다공성 금속 소결체가 존재하는 분위기의 온도가 일정 수준에 이르렀을 때에 산소와의 접촉을 시작할 수 있다. 상기 냉각은 강제 냉각일 수도 있고, 자연 냉각일 수도 있다. 본 출원에서는 이러한 산소와의 접촉 조건의 제어를 통해 금속폼의 표면에 산화물을 성장시킬 수 있으며, 특히 돌기 형태의 산화물을 적절하게 성장시킴으로써 목적을 달성할 수 있다.

하나의 예시에서 상기 산소와의 접촉 공정은 상기 소결 공정에 이어서 금속폼을 냉각시키면서 수행할 수 있고, 이 경우 단일 공정(one step)으로 표면 개질된 금속폼을 형성할 수 있다.

일 예시에서 적절한 산화물의 성장을 위해서 상기 산소와의 접촉은 상기 산소 농도가 1 ppm 내지 1,000 ppm인 분위기에서 수행할 수 있고, 10 ppm 내지 1,000 ppm의 산소 농도 분위기에서 수행할 수도 있다. 일 예시에서 금속 구조체의 소결은, 수소, 아르곤 등의 반응 가스 혹은 불활성 가스의 분위기 하에서 수행될 수 있는데, 상기 반응 혹은 불활성 가스 분위기에서 소결을 수행한 후에 소결체를 냉각시키다가, 목적하는 적정 온도에 이르렀을 때에 산소를 적정 농도로 주입하여 산소와의 접촉을 수행할 수 있다. 상기 산소의 농도는, 예를 들면, 챔버 등에 의도된 농도를 가지도록 산소를 주입하여 조절할 수 있다.

일 예시에서 상기 표면 개질을 위한 산소와의 접촉은, 상기 다공성 금속 소결체를 냉각시키면서 수행할 수 있다. 상기 냉각은 강제 냉각이거나, 자연 냉각일 수 있다. 즉, 상기 금속 소결체를 형성하기 위한 소결 공정 후에 금속 소결체를 냉각시키면서 적정 시점에서 산소를 주입하는 방식으로 상기 표면 개질 공정을 수행할 수 있다.

상기 소결 시에는 산소와 금속 구조체를 접촉시키지 않고, 소결 후 냉각 과정의 적정 시점에서 산소를 주입하여 상기 산소와의 접촉을 수행할 수 있다.

하나의 예시에서는, 산소와의 접촉은 300℃ 내지 600℃의 온도에서 시작 및 수행할 수 있다. 즉, 소결 후에 소결체를 냉각시키면서 온도가 상기 범위에 이른 때에 산소를 주입하여 산소와의 접촉을 진행할 수 있다. 상기 산소 접촉 시작 시점 온도는 다른 예시에서 약 320℃ 이상, 340℃ 이상, 360℃ 이상, 380℃ 이상 또는 400℃ 이상이거나, 580℃ 이하, 560℃ 이하, 540℃ 이하, 520℃ 이하 또는 500℃ 이하일 수 있다.

일 예시에서 상기 산소와의 접촉은 상기 온도에서 시작하여 다공성 금속 소결체의 유지 온도(주변 온도)가 약 10℃ 내지 50℃ 정도까지 냉각되는 시점까지 수행할 수 있다.

상기와 같이 산소와의 접촉을 소결체를 냉각시키면서 수행하는 경우에 냉각 속도는 특별히 제한되지 않는다. 일 예시에서는 상기 냉각은 자연 냉각일 수 있다.

예를 들면, 상기 산소와의 접촉은, 자연 냉각에 의해서 상기 온도가 산소 접촉 시작 온도에서 산소 접촉 종료 온도까지 떨어질 동안 수행할 수 있는데, 예를 들면, 10분 내지 5 시간 동안 수행할 수 있다.

상기와 같은 산소와의 접촉을 통해서 목적하는 표면 특성을 가지는 금속폼을 얻을 수 있다.

본 출원은 또한, 금속폼에 대한 것이다. 상기 금속폼은 전술한 방법에 의해 제조된 것일 수 있다.

상기 금속폼은, 기공도(porosity)가 약 40% 내지 99%의 범위 내일 수 있다. 언급한 바와 같이, 본 출원의 방법에 의하면, 균일하게 형성된 기공을 포함하면서, 기공도와 기계적 강도를 조절할 수 있다. 상기 기공도는, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 75% 이상 또는 80% 이상이거나, 95% 이하 또는 90% 이하일 수 있다.

상기 금속폼은 박막의 필름 또는 시트 형태로도 존재할 수 있다. 하나의 예시에서 금속폼은 필름 또는 시트 형태일 수 있다. 이러한 필름 또는 시트 형태의 금속폼은, 두께가 2,000㎛ 이하, 1,500㎛ 이하, 1,000㎛ 이하, 900㎛ 이하, 800㎛ 이하, 700㎛ 이하, 600㎛ 이하, 500㎛ 이하, 400㎛ 이하, 300㎛ 이하, 200㎛ 이하, 150㎛ 이하, 약 100㎛ 이하, 약 90㎛ 이하, 약 80㎛ 이하, 약 70㎛ 이하, 약 60㎛ 이하 또는 약 55㎛ 이하일 수 있다. 예를 들면, 상기 필름 또는 시트 형태의 금속폼의 두께는 약 10㎛ 이상, 약 20㎛ 이상, 약 30㎛ 이상, 약 40㎛ 이상, 약 50㎛ 이상, 약 100㎛ 이상, 약 150㎛ 이상, 약 200㎛ 이상, 약 250㎛ 이상, 약 300㎛ 이상, 약 350㎛ 이상, 약 400㎛ 이상, 약 450㎛ 이상 또는 약 500㎛ 이상일 수 있다.

금속폼은, 우수한 기계적 강도를 가지고, 예를 들면, 인장 강도가 2.5 MPa 이상, 3 MPa 이상, 3.5 MPa 이상, 4 MPa 이상, 4.5 MPa 이상 또는 5 MPa 이상일 수 있다. 또한, 상기 인장 강도는, 약 10 MPa 이상, 약 9 MPa 이상, 약 8 MPa 이상, 약 7 MPa 이상 또는 약 6 MPa 이하일 수 있다. 이와 같은 인장 강도는 예를 들면, KS B 5521에 의해 측정할 수 있다.

이와 같은 금속폼은, 다공성의 금속 구조체가 필요한 다양한 용도에서 활용될 수 있다. 특히, 본 출원의 방식에 따르면, 전술한 바와 같이 목적하는 수준의 기공도를 가지면서도 기계적 강도가 우수한 얇은 필름 또는 시트 형태의 금속폼의 제조가 가능하며, 그 표면 특성도 조절할 수 있어서, 기존 대비 금속폼의 용도를 확대할 수 있다.

본 출원에서는 금속폼이 가지는 기공의 균일도, 기공도나 기계적 강도, 그리고 사용된 금속 소재의 고유의 장점을 유지하면서도 그 표면을 효과적으로 개질할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.

도 1은, 실시예에서 형성된 금속폼에 대한 사진이다.
도 2 및 3은, 비교예에서 형성된 금속폼에 대한 사진이다.

이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 출원을 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 실시예에 제한되는 것은 아니다.

실시예 1.

금속 성분으로서 평균 입경(D50 입경)이 약 10 내지 20μm 정도인 구리(Cu) 분말을 사용하였다. 또한, 분산제로서, 알파-터르피네올(alpha-terpineol)을 사용하고, 바인더로서 폴리비닐아세테이트(Polyvinylacetate)를 적용하여 슬러리를 제조하였다. 슬러리에서 금속 성분(Cu), 분산제 및 바인더의 중량 비율(Cu:분산제:바인더)은 1:1.11:0.09 정도였다. 상기 슬러리를 적정 두께의 필름 형태로 코팅하고, 약 100℃의 온도에서 약 40분 동안 건조하였다. 이어서 4%의 수소/아르곤 가스 분위기에서 상기 필름 형태의 구조체를 약 900℃의 온도에서 약 1 시간 동안 열처리(소결)하여, 유기 성분을 제거하면서 금속 성분을 결합시켜서 다공성 금속 소결체를 제조하였다. 소결 후에 소결체를 자연 냉각시키면서 주위 온도가 약 500℃ 정도가 된 시점에서 산소 가스를 약 10ppm 내지 100 ppm의 범위의 농도가 되도록 주입하여 주위 온도가 상온(약 25℃)이 될 때까지 산소와 접촉시켰다. 도 1은 실시예 1에서 제조된 시트에 대한 사진이고, 사진으로부터 금속폼의 표면에 돌기 형태의 산화물이 성장한 것을 확인할 수 있다. 상기 돌기 형상의 종횡비는 대략 1 내지 3의 범위 내였으며, 산화물의 면적 비율은 약 10% 내지 30% 정도였다.

실시예 2.

금속 성분으로서 평균 입경(D50 입경)이 약 10 내지 20μm 정도인 니켈(Ni) 분말을 사용하였다. 또한, 분산제로서, 알파-터르피네올(alpha-terpineol)을 사용하고, 바인더로서 에틸셀룰로오스(EC)를 적용하여 슬러리를 제조하였다. 슬러리에서 금속 성분(Ni), 분산제 및 바인더의 중량 비율(Ni:분산제:바인더)은 1:1.34:0.16 정도였다. 상기 슬러리를 적정 두께의 필름 형태로 코팅하고, 약 125℃의 온도에서 약 20분 동안 건조하였다. 이어서 4%의 수소/아르곤 가스 분위기에서 상기 필름 형태의 구조체를 약 950℃의 온도에서 약 1 시간 동안 열처리(소결)하여, 유기 성분을 제거하면서 금속 성분을 결합시켜서 다공성 금속 소결체를 제조하였다. 소결 후에 소결체를 자연 냉각시키면서 주위 온도가 약 450℃ 정도가 된 시점에서 산소 가스를 약 500ppm 내지 600 ppm의 범위의 농도가 되도록 주입하여 주위 온도가 상온(약 25℃)이 될 때까지 산소와 접촉시켰다. 얻어진 금속폼은 실시예 1과 같이 표면에 돌기 형태의 산화물이 성장한 상태였다. 상기 돌기 형상의 종횡비는 대략 1 내지 3의 범위 내였으며, 산화물의 면적 비율은 약 30% 내지 40% 정도였다.

실시예 3.

금속 성분으로서 평균 입경(D50 입경)이 약 10 내지 20μm 정도인 니켈(Ni) 분말과 철(Fe) 분말을 4:1의 중량 비율(Ni:Fe)로 혼합하여 사용하였다. 또한, 분산제로서, 텍사놀(texanol)을 사용하고, 바인더로서 폴리비닐아세테이트를 적용하여 슬러리를 제조하였다. 슬러리에서 금속 성분(Ni/Fe), 분산제 및 바인더의 중량 비율(Ni/Fe:분산제:바인더)은 1:1.74:0.26 정도였다. 상기 슬러리를 적정 두께의 필름 형태로 코팅하고, 약 110℃의 온도에서 약 60분 동안 건조하였다. 이어서 4%의 수소/아르곤 가스 분위기에서 상기 필름 형태의 구조체를 약 1000℃의 온도에서 약 1 시간 30분 동안 열처리(소결)하여, 유기 성분을 제거하면서 금속 성분을 결합시켜서 다공성 금속 소결체를 제조하였다. 소결 후에 소결체를 자연 냉각시키면서 주위 온도가 약 400℃ 정도가 된 시점에서 산소 가스를 약 800ppm 내지 900 ppm의 범위의 농도가 되도록 주입하여 주위 온도가 상온(약 25℃)이 될 때까지 산소와 접촉시켰다. 얻어진 금속폼은 실시예 1과 같이 표면에 돌기 형태의 산화물이 성장한 상태였다. 상기 돌기 형상의 종횡비는 대략 1 내지 3의 범위 내였으며, 산화물의 면적 비율은 약 50% 정도였다.

비교예 1.

소결 후에 산소와의 접촉 없이 소결체를 냉각시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 금속폼을 제조하였다. 도 2는 이에 대한 사진이고, 도면으로부터 금속폼의 표면에 매끈하고, 돌기 등은 형성되지 않은 것을 알 수 있다.

비교예 2.

비교예 1에서 얻어진 금속폼을 대기압 하의 500℃의 전기로에서 30분동안 추가로 열처리하여 표면에 산화 구리가 형성된 금속폼을 얻었다. 도 3은 이에 대한 사진이며, 비교예 1과 달리 이 경우 표면에 침상 형태의 산화물이 형성된 것을 알 수 있다.

Claims

금속 성분을 포함하는 금속 구조체를 소결하여 다공성 금속 소결체를 얻는 단계; 및 상기 소결에 이어서 상기 다공성 금속 소결체를 산소와 접촉시키는 단계를 포함하는 금속폼의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 금속 성분은, 구리, 니켈, 알루미늄, 몰리브덴, 은, 백금, 금, 알루미늄, 마그네슘, 주석 및 철로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 금속폼의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 금속 구조체는, 금속 성분, 분산제 및 바인더를 포함하는 슬러리로 제조하는 금속폼의 제조 방법.
제 3 항에 있어서, 슬러리 내의 금속 성분이 비율이 0.5 내지 95 중량%인 금속폼의 제조 방법.
제 3 항에 있어서, 분산제는, 알코올인 금속폼의 제조 방법.
제 3 항에 있어서, 바인더는 알킬 셀룰로오스, 폴리알킬렌 카보네이트 또는 폴리비닐알코올 화합물인 금속폼의 제조 방법.
제 3 항에 있어서, 슬러리는, 금속 성분 100 중량부 대비 1 내지 500 중량부의 바인더를 포함하는 금속폼의 제조 방법.
제 3 항에 있어서, 슬러리는, 바인더 100 중량부 대비 10 내지 2,000 중량부의 분산제를 포함하는 금속폼의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 다공성 금속 소결체는, 필름 또는 시트 형태의 금속폼의 제조 방법.
제 9 항에 있어서, 필름 또는 시트의 두께가 2,000㎛ 이하인 금속폼의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 금속 구조체의 소결은 700℃ 내지 2,000℃의 범위 내의 온도에서 수행하는 금속폼의 제조 방법.
제 11 항에 있어서, 소결은 10분 내지 600분 동안 수행하는 금속폼의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 산소와의 접촉은 다공성 금속 소결체를 냉각시키면서 수행하는 금속폼의 제조 방법.
제 1 항에 잇어서, 산소와의 접촉은 300℃ 내지 600℃의 온도에서 수행하는 금속폼의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 산소와의 접촉은 1 ppm 내지 10,000 ppm의 산소 농도 하에서 수행하는 금속폼의 제조 방법.